La céramique produite dans le laboratoire du professeur Igor Lubomirsky à l’Institut Weizmann des sciences semblait trop belle pour être vraie. Elle appartient à une classe de matériaux qui sont à la base de nombreuses technologies essentielles mais qui, malheureusement, posent également un problème environnemental car ils contiennent généralement du plomb, un matériau hautement toxique.
Ce qui est surprenant avec la céramique Weizmann, c’est qu’elle pouvait fonctionner aussi bien que d’autres matériaux de cette catégorie tout en étant totalement non toxique. publié dans le journal Nature Communications.
Le nouveau matériau appartient à une classe de substances qui se déforment lorsqu’elles sont exposées à un champ électrique, subissant des contraintes et des tensions largement exploitées dans une multitude de dispositifs pour produire des mouvements minuscules et précis.
Dans les téléphones portables, par exemple, la légère déformation induite par la tension peut déclencher le processus de charge ou déplacer l’objectif pour créer un autofocus. Dans les imprimantes à jet d’encre industrielles, une plaque se déforme lorsque la tension est appliquée, éjectant une quantité contrôlée d’encre.
Actuellement, les matériaux qui subissent de telles déformations – appelés électrostricteurs ou piézoélectriques, selon le mécanisme sous-jacent – constituent une source majeure de pollution au plomb. Les composants électrostrictifs et piézoélectriques étant généralement trop petits pour être recyclés, des tonnes de plomb finissent régulièrement dans des décharges.
Même si le plomb a été progressivement éliminé de la plupart des autres applications dans le monde occidental, ces matériaux sont si indispensables que leur utilisation reste autorisée. Les matériaux piézoélectriques, par exemple, constituent un marché mondial annuel de plus de 20 milliards de dollars.
Les tentatives précédentes de scientifiques du monde entier pour produire des matériaux électrostrictifs ou piézoélectriques sans plomb n’ont rencontré qu’un succès mitigé : certains sont trop réactifs chimiquement, d’autres trop difficiles à fabriquer. En revanche, la substance de Weizmann (oxyde de cérium mélangé à environ 10 % d’oxyde de zirconium) est inerte et simple à fabriquer.
Mais son principal avantage potentiel est peut-être que, comparé aux matériaux actuellement utilisés, il peut produire la même déformation tout en ayant une constante diélectrique beaucoup plus faible, ce qui signifie qu’il stocke moins de charge électrique, c’est-à-dire qu’il nécessite moins d’énergie pour effectuer le même travail.
De plus, les matières premières utilisées pour la fabrication de cette nouvelle céramique sont bon marché et facilement disponibles. Le cérium et le zirconium sont relativement abondants dans la croûte terrestre et sont exploités partout dans le monde pour diverses applications industrielles. L’oxyde de cérium, par exemple, est couramment utilisé sous forme de poudre pour polir les lentilles et comme catalyseur dans les convertisseurs catalytiques, des dispositifs qui réduisent les émissions nocives des voitures.
La céramique de Weizmann pourrait donc constituer une alternative intéressante et écologique aux matériaux électrostrictifs ou piézoélectriques existants. Mais lorsque Lubomirsky a commencé, il y a plus de dix ans, les recherches qui ont conduit à sa découverte, il était loin de penser aux applications pratiques.
Son équipe avait découvert que dans certaines circonstances, les propriétés mécaniques de l’oxyde de cérium, sous forme pure et mélangée à des impuretés, ne correspondaient pas à la description classique. L’effet électrostrictif était environ 100 fois plus fort que prévu selon la théorie prédominante, ce qui était encore trop faible pour être utile dans la pratique, mais intrigant. L’équipe a continué à l’explorer.
Il y a environ trois ans, Maxim Varenik, un doctorant du laboratoire de Lubomirsky, a réalisé une expérience qui a produit des résultats surprenants. Il a introduit des impuretés trivalentes – des atomes avec une valence chimique de trois, c’est-à-dire ayant trois électrons sur leur orbite externe – dans du cérium. Lorsqu’il a appliqué une tension aux substances résultantes, il a observé un phénomène régulier intéressant : plus les atomes insérés étaient petits, plus l’électrostriction était importante.
Comme l’augmentation de l’électrostriction s’était produite selon une ligne droite et nette, il était curieux de continuer à expérimenter avec des atomes toujours plus petits. Cependant, il finit par manquer d’impuretés trivalentes ; aucune des plus petites qu’il avait déjà essayées ne pouvait être dissoute dans l’oxyde de cérium.
Varenik a alors décidé d’introduire le zirconium, la substance habituellement utilisée dans les convertisseurs catalytiques, même si son orbite externe comporte quatre électrons au lieu de trois. À sa grande surprise et à celle de tous les autres, l’électrostriction du matériau qu’il a créé n’a pas augmenté d’un cran, comme cela s’était produit avec les autres matériaux expérimentaux. Au contraire, elle a augmenté d’environ 200 fois.
« Nous avons étudié pendant une dizaine d’années un matériau considéré comme totalement inutile, par simple curiosité scientifique », explique Lubomirsky. « Nous avons maintenant obtenu un matériau qui peut être utilisé dans l’ingénierie. Les tensions et les contraintes qu’il produit sont comparables à celles que l’on observe dans les meilleurs matériaux commerciaux. »
En plus d’explorer les propriétés qui pourraient rendre leur céramique intéressante pour une utilisation industrielle, les scientifiques du laboratoire de Lubomirsky tentent d’expliquer pourquoi ses performances électrostrictives sont si éloignées des normes classiques. « Ce n’est pas un animal que nous avons jamais vu dans notre zoo », déclare Lubomirsky.
Depuis la découverte de cette électrostriction non classique, l’équipe de Lubomirsky l’étudie en collaboration avec le professeur Anatoly Frenkel de l’université de Stony Brook, l’un des plus grands experts mondiaux d’un type de spectroscopie connu sous le nom d’EXAFS. Récemment, ils ont été rejoints dans cette recherche par le théoricien professeur Yue Qi de l’université Brown.
Leur tâche est cependant loin d’être achevée. « Nous ne comprenons pas encore complètement ce qui se passe dans ce matériau », explique Lubomirsky, « mais c’est précisément ce qui le rend intéressant. »
Plus d’informations :
Maxim Varenik et al, Céramiques cérines dopées au Zr sans plomb à faible permittivité présentant une électrostriction géante, Nature Communications (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43032-5